Các nhà nghiên cứu phát triển bộ phận robot mềm tự chữa lành

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Penn State đã phát triển một giải pháp cho sự hao mòn của các bộ phận robot mềm do hoạt động lặp đi lặp lại: một loại polymer tự chữa lành, sinh tổng hợp dựa trên răng vòng của mực. Vật liệu này có lợi cho các bộ phận robot, nhưng nó cũng có thể được áp dụng ở bất kỳ nơi nào mà các lỗ nhỏ có thể gây ra vấn đề, chẳng hạn như quần áo bảo hộ hóa chất.

Theo báo cáo trên Nature Materials, “Các vật liệu tự chữa lành hiện tại có những hạn chế mà hạn chế ứng dụng thực tế của chúng, chẳng hạn như cường độ chữa lành thấp và thời gian chữa lành lâu (giờ).”

Lấy cảm hứng từ các sinh vật tự chữa lành trong tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các protein tổng hợp có cường độ cao. Chúng có thể tự chữa lành các tổn thương nhỏ và rõ ràng.

Melik Demirel là giáo sư khoa học và kỹ thuật cơ khí và là chủ tịch của Lloyd và Dorothy Foehr Huch về Vật liệu Biomimetic.

“Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra các vật liệu tự chữa lành có thể lập trình với sự kiểm soát chưa từng có về các tính chất vật lý của chúng bằng cách sử dụng sinh học tổng hợp,” ông nói.

Tay robot và chân giả

Một số máy robot, chẳng hạn như tay robot và chân giả, dựa trên các khớp liên tục di chuyển. Điều này đòi hỏi một vật liệu mềm, và điều tương tự cũng áp dụng cho các máy thở và các loại thiết bị bảo hộ cá nhân khác. Các vật liệu này, và bất kỳ vật liệu nào phải chịu chuyển động lặp đi lặp lại, có nguy cơ phát triển các vết nứt và vết rạn nhỏ, cuối cùng sẽ bị hỏng. Với việc sử dụng vật liệu tự chữa lành, các vết nứt nhỏ này có thể được sửa chữa nhanh chóng trước khi gây ra bất kỳ thiệt hại nghiêm trọng nào.

Đặp lặp DNA

Đội ngũ các nhà nghiên cứu đã tạo ra polymer tự chữa lành bằng cách sử dụng một loạt các đặp lặp DNA bao gồm các axit amin được sản xuất bởi sự nhân đôi gen. Đặp lặp là thường là một loạt các phân tử ngắn có thể lặp lại vô số lần.

Abdon Pena-Francelsch là tác giả chính của bài báo và là một sinh viên tiến sĩ cũ trong phòng thí nghiệm của Demirel.

“Chúng tôi đã có thể giảm thời gian chữa lành thông thường từ 24 giờ xuống chỉ một giây, vì vậy các robot mềm dựa trên protein của chúng tôi có thể tự sửa chữa ngay lập tức,” Abdon Pena-Francelsch nói. “Trong tự nhiên, quá trình tự chữa lành mất rất nhiều thời gian. Trong trường hợp này, công nghệ của chúng tôi vượt qua tự nhiên.”

Theo Demirel, polymer tự chữa lành có thể tự chữa lành bằng cách áp dụng nước, nhiệt và thậm chí ánh sáng.

“Nếu bạn cắt polymer này làm đôi, khi nó chữa lành, nó sẽ lấy lại 100% cường độ của nó,” Demirel nói.

Metin Sitti là giám đốc của Bộ phận Trí tuệ Vật lý tại Viện Hệ thống Thông minh Max Planck, Stuttgart, Đức.

“Các vật liệu mềm tự chữa lành là thiết yếu để xây dựng các robot và bộ phận robot mềm mạnh mẽ và chịu lỗi trong tương lai gần,” Sitti nói.

Đội ngũ đã có thể tạo ra polymer mềm tự chữa lành nhanh bằng cách điều chỉnh số lượng đặp lặp. Nó có thể giữ lại cường độ ban đầu của nó, và đồng thời, họ cũng có thể làm cho polymer 100% phân hủy sinh học và 100% tái chế thành cùng một polymer.

https://www.youtube.com/watch?v=xTmgXnnG27k

Polyme dựa trên dầu mỏ

“Chúng tôi muốn giảm thiểu việc sử dụng polyme dựa trên dầu mỏ vì nhiều lý do,” Demirel nói. “Sớm hay muộn, chúng ta sẽ cạn kiệt dầu mỏ và nó cũng gây ô nhiễm và dẫn đến biến đổi khí hậu. Chúng tôi không thể cạnh tranh với các loại nhựa thực sự rẻ tiền. Cách duy nhất để cạnh tranh là cung cấp thứ mà polyme dựa trên dầu mỏ không thể cung cấp và khả năng tự chữa lành cung cấp hiệu suất cần thiết.”

Theo Demirel, nhiều polyme dựa trên dầu mỏ có thể được tái chế, nhưng nó phải được tái chế thành thứ khác.

Các polyme sinh học có thể phân hủy sinh học, và các axit như giấm có thể tái chế nó thành bột, sau đó có thể được sản xuất thành polyme tự chữa lành ban đầu.

Stephanie McElhinny là người quản lý chương trình sinh hóa tại Văn phòng Nghiên cứu Quân đội.

“Nghiên cứu này làm sáng tỏ phong cảnh của các tính chất vật liệu mà có thể tiếp cận được bằng cách vượt qua các protein tồn tại trong tự nhiên bằng cách sử dụng các phương pháp sinh học tổng hợp, McElhinny nói. “Quá trình tự chữa lành nhanh và mạnh của các protein tổng hợp này chứng tỏ tiềm năng của phương pháp này trong việc cung cấp các vật liệu mới cho các ứng dụng quân đội trong tương lai, chẳng hạn như thiết bị bảo hộ cá nhân hoặc robot mềm có thể di chuyển trong không gian chật hẹp.”